CN106878163B - 一种多数据协议转换的物联网智能网关 - Google Patents
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Abstract
一种多数据协议转换的物联网智能网关，属于物联网智能网关技术领域。包括以下功能，设备管理，多协议接入，协议转换与标准数据格式数据传输。物联网智能网关包括嵌入式硬件平台，操作系统和应用软件三部分。优点在于，解决了物联网应用中多节点，多协议设备,接入物联网云平台，效率低，复杂度高的困局。支持多种协议的设备接入和物联网协议数据上传到云平台，从而方便其在工业和城市物联网项目中的推广和移植。本发明加入了设备管理与配置模块，极大的方便了用户的使用。
Description
技术领域
本发明属于物联网智能网关技术领域，尤其涉及一种多数据协议转换的物联网智能网关。
背景技术
物联网是指通过信息感知节点，按照相互约定的协议将传感器、执行器或者嵌入式设备与互联网连接起来，进行信息交换与通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网在近几年迅猛发展，各种各样的基于物联网的应用应运而生。物联网应用十分广泛，工业生产、环境保护、军队布防、仓储管理、智能家居、社交网络、医疗研究等各个方面都需要借助物联网设备和应用来进一步提高效率。
物联网应用通过传感器间接或者直接将设备运行状态以及数据上传到云服务器，便可以利用云计算和大数据等先进技术手段对数据进行处理，从而为用户更好的服务，方便更好的利用控制设备。
在物联网环境中，分布着成千上万的数据节点，每个节点都在不停的更新数据。由于数据信息完全分散，节点支持数据传输协议不尽相同，给数据收集、数据查询带来很大的难度。显然，如果不对数据进行综合采集，将会产生很大的网络开销，而且不便于管理，传输效率、传输安全也得不到保障。在这种情况下，我们需要一种设备能同时通过近场通讯和远程通讯的方式对设备进行管理，不同协议之间进行转换，包括节点配置、数据采集、数据处理、设备控制等功能，这就是物联网智能网关。综上所述，本发明主要实现以下功能，设备管理，多协议接入功能，协议转换与标准数据传输协议。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多数据协议转换的物联网智能网关，解决了物联网应用中多节点，多协议设备,接入物联网云平台，效率低，复杂度高的困局。支持多种协议的设备接入和物联网协议数据上传到云平台，从而方便其在工业和城市物联网项目中的推广和移植。本发明加入了设备管理与配置模块，极大的方便了用户的使用。
基于物联网技术的智能网关，包括以下功能，设备管理，多协议接入，协议转换与标准数据格式数据传输。为了实现前述功能，本发明包括以下技术方案：
物联网智能网关包括嵌入式硬件平台，操作系统和应用软件三部分。
所述嵌入式硬件平台主要由嵌入式处理器和外部设备组成。嵌入式处理器采用TI(德州仪器)am3352处理器，该处理器采基于ARM Cortex-A8架构，拥有二级高速缓存，通用内存接口(支持DDR/DDR2/DDR3),通用存储接口，内部集成了两个千兆以太网链路层接口功能(以太网接口1，以太网接口2)，6个UART(串口)，2个McSPI,3个I2C接口和一个Jtag接口。外部设备包括512MDDR3内存，512Mnandflash存储器，一个网口，一个蓝牙模块，一个WIFI模块，一个CAN模块，4个485模块
所述蓝牙模块、WIFI模块和4个485模块分别通过UART接口与嵌入式处理器连接；DDR3连接到通用内存接口；nandflash连接的通用存储接口；网口连接到以太网接口1；CAN模块用MCP2510CAN控制芯片实现，通过McSPI接口与嵌入式处理器连接。
所述操作系统为开源的linux3.2.0系统，通过Jlink仿真器和Jtag接口，将TI提供的uboot和linux3.2.0烧录到nandfalsh中，然后将TI提供的接口驱动安装完毕，实现操作系统在硬件中的部署，同时为应用软件运行提供了必要环境。
所述应用软件主要实现业务功能，由三部分组成包括：多协议数据接入系统、网关内部管理系统、网关内部数据缓存系统。应用软件是基于linux操作系统的应用开发。通过gcc编译器将应用软件编译为可执行文件，后通过串口下载到linux操作系统中，并设置应用软件随操作系统自动启动。
所述多协议数据接入系统中由4个Connecter模块组成。所述Connecter为本发明提出的抽象概念，每一个Connecter实现一种协议数据交互和解析。Connecter为接入设备和协议以及包含的动作的抽象，每个Connecter就是一个智能体。它可以根据配置，自动识别设备，进行数据读写，数据解析，将数据传递给需要的Connecter。在计算机系统中每个Connecter也是一个进程。这样就可以根据硬件接口增加或者删减Connecter，可以做到灵活扩展网关功能。本发明目前支持CanConnecter、ModBusConnecter、MQTTConnecter、HttpConnecter四种，但可以根据硬件和协议定制添加Connecter。
所述网关内部管理系统简称CMS(Connecter Management System)，主要用来做Connecter的管理。由于每个Connecter都是单独的进程，这样Connecter的启动，暂停，停止，等一系列的操控需要专门的系统做管理。CMS根据客户端的json配置文档，来启动需要的Connecter,并分配Connecter运行的json配置文档。这样每个启动的Connecter，就会按照用户的定义运行起来。
由上可知网关运行需要配置文档，本发明配置文档采用json格式。常见的配置文件格式一般有ini,xml,lua或者是一般的text文件，这些格式比较突出的一个问题就是数据格式过于冗余，而且功能不够强大，不支持正则匹配，或者实现解析文件的代码过多，效率不高等等。而已经在web前端流行的json数据交互格式，简洁易用日益成为新的交换格式的标准。
所述网关内部缓存系统采用高性能的Redis内存数据库，由于每个Connecter是一个独立的进程，那么Connecter之间的数据交互,就涉及到了进程间的通信。常见的进程间的通信用管道，信号量，消息队列，共享内存，套接字(socket)通信等。经过分析本发明采用基于套接字的Redis内存数据库做数据缓冲。Redis是一个key-value存储系统。它支持存储的value类型相对更多，包括string(字符串)、list(链表)、set(集合)、zset(sorted set--有序集合)和hash(哈希类型)。这些数据类型都支持push/pop、add/remove及取交集并集和差集及更丰富的操作，而且这些操作都是原子性的。本发明主要采用Redis基本string存储，做一对一的Connecter之间的通信，一对多的Connecter模型中采用Redis订阅发布模式，这样一个Connecter向Redis服务器发布数据，那么订阅此数据的Connecter都可以接收到数据。
本发明与传统网关不同的地方在于，本发明支持现有流行的物联网协议MQTT与数据平台进行交互。MQTT使用发布/订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合，对负载内容屏蔽的消息传输，小型传输，开销很小(固定长度的头部是2字节)，协议交换最小化，以降低网络流量。作为一种优化方案本发明也支持HTTP协议，HTTP协议已经成为互联网上应用最为广泛的协议。HTTP协议稳定，安全，但是开销大，而MQTT轻巧，快速，二者可以互补。作为优化方案在与平台交互的数据格式采用json格式，json数据有一个个键值对组成，我们可以方便的定义数据，赋予数据更多含义，比如数据包括数据来源，数据物理含义，数据单位，数据长度等等，这样云平台对数据利用更加方便。
附图说明
图1为网关硬件模块连接图。
图2为本发明基于物联网技术的智能网关整体结构图。
图3为本发明网关内部抽象结构图。
图4为本发明CMS内部交互图。
图5为本发明内部Connecter内部数据流图(直接存储)。
图6为本发明内部Connecter内部数据流图(订阅发布)。
图7为本发明Connecter程序流程图。
具体实施方式
为了使技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明进行清晰，较为详尽的说明。
参照附图2所示为本发明整体框架，可见本发明包括底层和上层(应用层)，底层即硬件和操作系统。
本发明硬件核心板采用TI am3352核心板，am3352功能强大，定位工业控制。外围实现485，CAN，WIFI，蓝牙，网口硬件模块，硬件模块连接图如附图1，各模块与处理器通过电路板铜线电连接。
操作系统采用剪裁的linux3.2.0，linux3.2.0系统稳定，比较简洁，运行速度快等特点。使本发明从底层上对上层应用，有强大的支持。
有前述可知应用软件包括多协议数据接入系统，网关管理模块和数据缓存系统。根据接入关系应用层又可以划分为下行接入层，业务层，上行接入层。下行接入层和上行接入层都属于多协议数据接入系统。下行接入层主要与设备侧，上行接入侧主要与物联网云平台交互侧，业务层由网关管理系统和数据缓存系统实现，主要包括网关内部安全管理，数据存储，Connecter之间的通信。
有前述可知本发明主要集中在上层应用的开发，由发明内容可知本发明对网关进行抽象内部主要包括，Connecter和CMS系统，以及内存缓存redis，详见附图3。
有前述可知CMS系统为智能网关的核心，由附图4可知，他接收客户端的配置文档，并按照配置文档启动用户需要的Connecter，并生成Connecter的配置文档，这样每个Connecter就会按照自己的配置文档运转起来。前述可知本网关的配置文档采用json文档，作为整个网关的配置文档project.json,其格式如下所示:
有上述可知网关的配置文档主要有json数组组成，数组的每个json成员有三部分组成包括设备协议，设备初始化配置，设备要执行的任务。作为示例上述配置文档只列举了modbus设备Connecter的配置，CMS读取读取json数组的每一个成员，由devattr，获取其键值为modbus，这时候系统就会启动MbConnecter,并把其配置文档中的INIT,OP读出来写入到modbus.json,作为MbConnecter的配置文档。这样MbConnecter就可以按照配置文档运转起来。
上述中的INIT项表示modbus-rtu协议的配置项包括波特率，停止位，超时时间等，OP项中的OP1,OP2表示此Connecter有两个任务，OP1中“orientation”表示数据对于设备操作是读与写，“operate”Modbus协议对对设备操作的指令，“startaddr”表示读数据的起始地址，“len”表示读数据的长度，“timerefresh”表示数据刷新的频率，“DF_index”表示写入redis数据库中的地址名字。OP1任务的具体中的意思是从寄存器0开始读2个寄存器的值并以键值为“10001001”写入redis数据库。
有前述可知，CMS读取工程配置文档，生成用户定义的Connecter,本发明Connecter进程间通信采用redis内存数据库。Redis功能强大已经在高并发服务器中广泛应用，当然由于嵌入式设备的环境特殊，这就需要将Redis源码交叉编译，然后将其应用和依赖导入设备中。本发明利用Redis数据库进行交互过程如附图5，附图6所示，附图5展示的是利用redis最基本的数据存储功能每个Connecter读取设备数据写入Redis，并从Redis中读取需要的数据。这种模式特别适合大量数据，且数据实时要求不是很高的场合。
由附图6可知本发明Connecter通信的另一种方式采用Redis订阅发布功能实现一个Connecter的数据可以被多个Connecter订阅获取。如图所示，MbConnecter发布主题为“100000”，内容为设备数据，WIFIConnecter和CloudConnecter订阅了“100000”主题，可以几乎同时接受到数据，这样数据实时性得到了很好的保障。当然每个Connecter都可以订阅需要的主题，这种方式，在传递控制命令信息和实时性要求较高的数据时实用性很高。
综上所述本发明利用Redis内存数据库为网关内部书交互提供两种方式，互为补充，把网关的性能发挥到最大，直接存储方式提供大量数据交互，可以应用在数据量大数据变化慢的场合，订阅发布交互方式可以应用于实时性高，一对多的场合。
由前述可知Connecter是本发明的重要组成部分，结合附图7给其内部工作原理详尽介绍。Connecter首先解析配置文档，获取设备初始化数据，和任务队列。然后依据设备初始化数据对设备进行初始化，然后按照任务队列的任务配置，执行操作。由于每个任务的刷新时间不一致，任务要按照规定的刷新时间规律执行，所以Connnecter包含一个计时线程，依据任务队列的刷新时间来调度任务执行。计时线程主要任务是记录时间进度，判断时间是否等于刷新时间，触发要执行的任务。
所有的任务的只包含两个动作读与写，读写是相对于外部设备来说的，写过程就是从Redis取回数据写入设备，读过程就是从设备获取数据写入Redis。就这样Connecter依据配置在计时线程的合理调度下不停地运转着。
有前述可知本发明在数据上传云端采用现有流行HTTP协议和物联网协议MQTT,虽然作为数据上传应用层但是在网关内部都抽象为HTTPConnecter和MQTTConnecter的概念，其运行原理如上。但要在网关内部移植库函数和配置环境才能保证协议客户端正常工作。
作为优化方案本发明网关内部数据交互格式统一封装为json格式，格式和配置文档类似，这样方便管理与数据转换，同时也有利于平台解析数据。
Claims (2)
1.一种多数据协议转换的物联网智能网关，其特征在于，包括嵌入式硬件平台，操作系统和应用软件三部分；
所述嵌入式硬件平台包括嵌入式处理器和外部设备；嵌入式处理器采用TIam3352处理器，该处理器采基于ARM Cortex-A8架构，拥有二级高速缓存，通用内存接口支持DDR/DDR2/DDR3,通用存储接口，内部集成了两个千兆以太网链路层接口功能，6个UART串口，2个McSPI,3个I2C接口和一个Jtag接口；外部设备包括512MDDR3内存，512Mnandflash存储器，一个网口，一个蓝牙模块，一个WIFI模块，一个CAN模块，4个485模块；
所述蓝牙模块、WIFI模块和4个485模块分别通过UART接口与嵌入式处理器连接；DDR3连接到通用内存接口；nandflash连接的通用存储接口；网口连接到以太网接口1；CAN模块用MCP2510CAN控制芯片实现，通过McSPI接口与嵌入式处理器连接；
所述操作系统为开源的linux3.2.0系统，通过Jlink仿真器和Jtag接口，将TI提供的uboot和linux3.2.0烧录到nandfalsh中，然后将TI提供的接口驱动安装完毕，实现操作系统在硬件中的部署，同时为应用软件运行提供了必要环境；
所述应用软件主要实现业务功能，由三部分组成包括：多协议数据接入系统、网关内部管理系统、网关内部数据缓存系统； 应用软件是基于linux操作系统的应用开发； 通过gcc编译器将应用软件编译为可执行文件，后通过串口下载到linux操作系统中，并设置应用软件随操作系统自动启动；
所述多协议数据接入系统中由4个Connecter模块组成；每一个Connecter实现一种协议数据交互和解析；Connecter为接入设备和协议以及包含的动作的抽象，每个Connecter就是一个智能体；它根据配置，自动识别设备，进行数据读写，数据解析，将数据传递给需要的Connecter；在计算机系统中每个Connecter也是一个进程；这样就能够根据硬件接口增加或者删减Connecter，做到灵活扩展网关功能；支持CanConnecter、ModBusConnecter、MQTTConnecter、HttpConnecter四种；
所述网关内部管理系统简称CMS，用来做Connecter的管理；由于每个Connecter都是单独的进程，这样Connecter的启动，暂停，停止，一系列的操控需要专门的系统做管理；CMS根据客户端的json配置文档，来启动需要的Connecter,并分配Connecter运行的json配置文档； 这样每个启动的Connecter，就会按照用户的定义运行起来；
网关运行需要配置文档，配置文档采用json格式。
2.根据权利要求1所述的多数据协议转换的物联网智能网关，其特征在于，所述网关内部缓存系统采用高性能的Redis内存数据库，由于每个Connecter是一个独立的进程，那么Connecter之间的数据交互,就涉及到了进程间的通信；采用基于套接字的Redis内存数据库做数据缓冲； Redis是一个key-value存储系统；它支持存储的value类型相对更多，包括string字符串、list链表、set集合、zset即sorted set--有序集合和hash哈希类型；这些数据类型都支持push/pop、add/remove及取交集并集和差集及更丰富的操作，而且这些操作都是原子性的；采用Redis基本string存储，做一对一的Connecter之间的通信，一对多的Connecter模型中采用Redis订阅发布模式，这样一个Connecter向Redis服务器发布数据，那么订阅此数据的Connecter都能够接收到数据。
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